本發(fā)明涉及一種基于多層石蠟相變材料的可調(diào)控二維熱隱身斗篷的實(shí)現(xiàn)方法和裝置，可應(yīng)用于熱流控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2006年，文獻(xiàn)1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質(zhì)能夠操控光波的傳播方向，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身衣概念，引起了人們的廣泛關(guān)注，成為光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，作為光學(xué)隱身衣應(yīng)用的一個(gè)拓展領(lǐng)域，即通過(guò)人工結(jié)構(gòu)操控?zé)崃鞣较?，?shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身也快速成為熱力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。2013年，文獻(xiàn)2：“r.schittnyetal,phys.rev.lett.2013(110):195901”采用銅和聚二甲硅氧烷制作了二維圓形熱斗篷,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了隱身效果。2013年，文獻(xiàn)3：“t.z.yangetal,j.phys.d:appl.phys.2013(46):305102”推導(dǎo)出具有共形任意橫截面形狀的熱斗篷變換媒質(zhì)熱導(dǎo)率表達(dá)式,并仿真分析了其熱傳導(dǎo)特性。2014年，文獻(xiàn)4：“f.c.maoetal,actaphys.sin.2014(63):014401”對(duì)任意橫截面柱形熱斗篷進(jìn)行了研究和分析,導(dǎo)出了二維非共形任意形狀熱斗篷的熱導(dǎo)率表達(dá)式。但是，目前二維熱學(xué)隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還不具備可調(diào)諧的功能(即熱隱身的開(kāi)/關(guān)功能)，換句話說(shuō)熱學(xué)隱身斗篷的結(jié)構(gòu)一旦確定以后其隱身性能將會(huì)一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏熱導(dǎo)率可以被主動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)控的天然材料，這直接制約著熱學(xué)隱身技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法對(duì)熱學(xué)隱身斗篷的熱隱身功能進(jìn)行調(diào)諧，他將對(duì)熱學(xué)隱身斗篷的實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的意義，大大推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。

石蠟相變材料具有固-液兩種狀態(tài)，在外界光、熱、電、磁或者應(yīng)力的作用下，石蠟相變材料可以在固態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)間改變，而伴隨著石蠟相變材料的狀態(tài)改變，其熱導(dǎo)率系數(shù)也會(huì)發(fā)生可逆性改變。

本發(fā)明提供一種基于多層石蠟相變材料的二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷。該二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷是將石蠟相變材料環(huán)層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，通過(guò)控制不同環(huán)層中石蠟相變材料的固-液態(tài)程度，可以使每層對(duì)應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，獲得熱隱身所需的二維熱導(dǎo)率分布，進(jìn)而使熱流繞過(guò)斗篷區(qū)域后，溫度場(chǎng)和等溫線恢復(fù)原來(lái)的分布，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能，為處在熱隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界熱流干擾，同時(shí)不影響外界熱流分布。同時(shí)，通過(guò)循環(huán)控制每個(gè)環(huán)層中石蠟復(fù)合相變材料的固-液狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)熱隱身斗篷的實(shí)時(shí)開(kāi)/關(guān)性能，從而克服了二維熱隱身斗篷不能開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)。本發(fā)明基于石蠟復(fù)合相變材料固-液態(tài)可逆轉(zhuǎn)換原理，可以有效節(jié)省能量，延長(zhǎng)偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開(kāi)關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實(shí)際應(yīng)用潛力大。使用本發(fā)明技術(shù)，可以使熱學(xué)隱身斗篷在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)(即不隱身)，使對(duì)方探測(cè)到一些無(wú)效熱學(xué)信息，而在需要的時(shí)候開(kāi)啟熱隱身功能讓對(duì)方探測(cè)不到其熱學(xué)信號(hào)，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動(dòng)具有突然性。該技術(shù)會(huì)使計(jì)算機(jī)芯片高效散熱，從而提高計(jì)算機(jī)性能；實(shí)現(xiàn)熱幻想，迷惑紅外檢測(cè)器；同時(shí)在航天器返回艙、衛(wèi)星等設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有二維熱學(xué)隱身斗篷的熱隱身功能不具備可調(diào)諧性(即不能開(kāi)/關(guān)熱隱身功能)的缺點(diǎn)，利用石蠟復(fù)合相變材料這一常見(jiàn)材料，提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控(可開(kāi)/關(guān))二維熱學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、便于操作、能耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于多層石蠟相變材料的可調(diào)控二維熱隱身斗篷，包括襯底層、絕熱間隔環(huán)層、石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層、附于石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層底層的金屬薄層貼片、控制單元和供能單元；

該可調(diào)控二維熱隱身斗篷是將石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層以x-y水平面中心為軸，在x、y軸線方向逐層延拓形成，每個(gè)石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層底部均貼有金屬薄層貼片，每?jī)蓚€(gè)石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層之間均有絕熱間隔環(huán)層隔離；

襯底層處于二維多層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層下方，用于承載二維多層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層，被隱藏的目標(biāo)放置于二維多層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的中心位置；

襯底層與金屬薄層貼片接觸，同時(shí)襯底層對(duì)應(yīng)于每個(gè)金屬薄層貼片處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1cm～100cm；小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片上，另一端依次經(jīng)過(guò)控制單元和供能單元接地，通過(guò)操控控制單元，可以調(diào)控供能單元對(duì)每層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層中石蠟復(fù)合相變材料的固-液態(tài)轉(zhuǎn)換程度，可以使每層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層對(duì)應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱隱身所需的二維熱導(dǎo)率分布，進(jìn)而使熱流繞過(guò)二維斗篷區(qū)域后，溫度場(chǎng)和等溫線恢復(fù)原來(lái)分布，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能。

所述的石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的形狀是圓環(huán)、橢圓環(huán)、正方環(huán)、矩形環(huán)或六邊環(huán)，每一個(gè)石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層可獨(dú)立控制和工作；所述的石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～1cm；所述的石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層是在石蠟相變材料中添加多孔介質(zhì)，如金屬泡沫、金屬蜂窩、石墨、金屬粒子、碳纖維、納米粒子、聚苯乙烯、在封裝壁面上加肋片、膠囊封裝、容器封裝或?qū)⒉煌氖炏嘧儾牧线M(jìn)行組合等。

所述的金屬薄層貼片是al片、ag片、au片、cu片或ni片，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm.

所述的絕熱間隔層是硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、in2o3、sno2或ito，其寬度為1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的襯底層是聚亞胺、塑料、bk7光學(xué)玻璃，sio2、si3n4或al2o3。

所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能；所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開(kāi)關(guān)。

所述的多層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層通過(guò)材料生長(zhǎng)工藝實(shí)現(xiàn)，包括電子束蒸發(fā)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀、氣相外延生長(zhǎng)和分子束外延方法。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于控制不同環(huán)層中石蠟復(fù)合相變材料的固-液狀態(tài)，可以有效節(jié)省能量，延長(zhǎng)偽裝時(shí)間；在實(shí)現(xiàn)上，采用電、光控開(kāi)關(guān)等廣泛使用的器件，顯著降低了熱隱身斗篷的復(fù)雜度和成本，實(shí)際應(yīng)用潛力大。該技術(shù)會(huì)使計(jì)算機(jī)芯片高效散熱，從而提高計(jì)算機(jī)性能；實(shí)現(xiàn)熱幻想，迷惑紅外檢測(cè)器；同時(shí)在航天器返回艙、衛(wèi)星等設(shè)備中具有巨大應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明提供一種基于多層石蠟復(fù)合相變材料的可調(diào)控二維熱隱身斗篷，可以通過(guò)外加電、熱、光或磁場(chǎng)對(duì)改變石蠟復(fù)合相變材料這一常見(jiàn)材料的熱導(dǎo)率分布，提供一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控(可開(kāi)/關(guān))二維熱學(xué)隱身斗篷的新技術(shù)，使得系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、便于操作、能耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料的二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發(fā)明提供的一種基于n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料的二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷俯視圖。

圖2(a)為n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層示意圖。

圖2(b)為二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發(fā)明提供的一種為基于n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料的二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷在熱隱身功能開(kāi)設(shè)狀態(tài)下(即石蠟復(fù)合相變材料處于不同狀態(tài)下的)的熱流分布情況。

圖3(b)為本發(fā)明提供的一種為基于n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料的二維可調(diào)控?zé)犭[身斗篷在熱隱身功能關(guān)閉狀態(tài)下(即石蠟復(fù)合相變材料處于不同狀態(tài)下的)的熱流分布情況。

圖中：1襯底層；2n層(n≥1)石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層；

3石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層；4絕熱間隔環(huán)層；5小孔；6導(dǎo)線；7控制單元；8供能單元；9地線；10金屬薄層貼片；11等溫線。

具體實(shí)施方式

為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。其中的材料生長(zhǎng)技術(shù)包括：電子束蒸發(fā)，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀，氣相外延生長(zhǎng)，和分子束外延技術(shù)等常用技術(shù)。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術(shù)。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應(yīng)離子束刻蝕等常用工藝。

實(shí)施例1

首先，通過(guò)材料生長(zhǎng)工藝和掩模工藝，將設(shè)計(jì)好的二維石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層制備在襯底1的上表面，即以x-y水平面中心為軸由內(nèi)至外在x、y軸線方向逐層延拓形成，實(shí)現(xiàn)n層(n≥1)二維石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層，如附圖2(a)所示。

其中，二維石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的設(shè)計(jì)可以采用有限時(shí)域差分法、有限元法等算法。金屬薄層貼片10通過(guò)鍍膜工藝被加工在n層(n≥1)二維石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層2的底部和襯底1的上部之間。

襯底對(duì)應(yīng)于每個(gè)金屬薄層貼片10處，都鉆有小孔5。小孔內(nèi)安裝導(dǎo)線6，導(dǎo)線一端連接在金屬薄層貼片10上，另一端經(jīng)過(guò)控制單元7和供能單元8接地線9，通過(guò)操控控制單元7，可以調(diào)控供能單元8對(duì)每層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層的加熱時(shí)間，進(jìn)而控制不同環(huán)層中石蠟復(fù)合相變材料的固-液態(tài)程度，可以使每層石蠟復(fù)合相變材料環(huán)層對(duì)應(yīng)不同的熱導(dǎo)率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)熱隱身所需的二維熱導(dǎo)率分布，進(jìn)而使熱流繞過(guò)斗篷區(qū)域后，溫度場(chǎng)和等溫線恢復(fù)原來(lái)的分布，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能。

如圖3所示，當(dāng)一種基于多層石蠟復(fù)合相變材料的可調(diào)控二維熱隱身斗篷中的石蠟復(fù)合相變材料發(fā)生狀態(tài)變化，其熱導(dǎo)率系數(shù)分布也會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱流方向的調(diào)控，包括開(kāi)啟熱隱身功能：即為處在熱隱身斗篷中心的物體屏蔽掉外界熱流干擾，同時(shí)不影響外界熱流分布，不被外界所探測(cè)，即熱流通過(guò)該熱隱身斗篷后不改變其熱流線(如圖3(a)所示)；關(guān)閉熱隱身功能：即熱流通過(guò)該熱隱身斗篷后其熱流線發(fā)生改變，導(dǎo)致熱隱身斗篷中心處所放的物體可以被外界所探測(cè)(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說(shuō)明書(shū)和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說(shuō)明。